JPH0984194A - 超音波プローブ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】超音波プローブの高感度・広帯域化を達成し、
性能向上を図る。 【解決手段】固溶系圧電単結晶と前記圧電単結晶よりも
音響インピーダンスが小さい樹脂から成る複合圧電体を
超音波送受信素子としたことを特徴とする複合圧電体及
び超音波プローブであって、圧電単結晶の電気機械結合
係数がＫ₃₃／Ｋ_t ≧１．６であり、充填する樹脂の音響
インピーダンスＺｐがＺｐ≦４×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓの
ものを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は超音波診断装置など
に用いられる超音波プローブに関する。

【０００２】

【従来の技術】超音波プローブは圧電体を主体として構
成され、超音波を対象物に向けて照射し、その対象物に
おける音響インピーダンスの異なる界面からの反射波を
受信することにより、対象物の内部状態を画像化するた
めに用いられる。このような超音波プローブが採用され
た超音波画像装置には、例えば、人体内部を検査するた
めの医用診断装置および金属溶接内部の探傷を目的とす
る検査装置などが挙げられる。

【０００３】医用診断装置においては、人体の断層像
（Ｂモード像）に加え、心臓、肝臓、頸動脈等を対象に
超音波の血流によるドプラシフトを利用して血流の速度
を２次元でカラー表示することが可能な「カラーフロー
マッピング（ＣＦＭ）法」の開発により、その診断能は
飛躍的に向上した。近年このＣＦＭ法は、子宮や腎臓、
膵臓など人体のあらゆる臓器、器官の診断に用いられ、
今後においては、体表面に超音波プローブを接触させて
例えば心臓の血管にできた血栓を診断することが可能な
高感度装置を目指して研究がなされている。

【０００４】Ｂモード像の場合は、身体的変化による小
さな病変や空隙が明瞭に深部まで見ることのできる高分
解能の画像が、高感度に得られることが要求されてい
る。一方、ＣＦＭ像などを得ることができるドプラモー
ドの場合は、直径が数μｍ程度の微小な血球からの反射
エコーを用いるために、前述のＢモードの場合に比べて
得られる信号レベルは小さいのでより高感度化が要求さ
れる。

【０００５】ところで、従来、高感度化を達成するため
に超音波プローブ自体または装置側から様々な読みがな
されている。前記Ｂモードに注目すると超音波送受信素
子である圧電体の影響が大きい。圧電体としては電気機
械結合係数が大きく、かつケーブルや装置浮遊容量分に
よる損失が少ないように送受信回路とのマッチングが取
りやすい誘電率の大きい材料が用いられており、主とし
てジルコン・チタン酸鉛系圧電セラミック（ＰＺＴ）が
用いられている。

【０００６】一方、超音波プローブは短冊状の圧電体を
１０〜２００個程度配列したアレイ型超音波プローブが
主流であり、前記素子数は高分解能化の要求に伴って増
加する傾向にある。しかしながら生体との接触性から超
音波放射面の口径を大きくすることができないために前
記素子数の増加に伴って、１素子当たりの大きさが小さ
くなるため送受信回路とのマッチングが取れにくくなっ
てきている。

【０００７】このようなことから、誘電率が大きい材料
からなる圧電体を使用したり、米国特許第４９５８３２
７号明細書には圧電体を積層構成することが開示され、
ドイツ特許３７２９７３１Ａ１にはインピーダンス変換
器を使用することが開示されている。

【０００８】しかしながら、前記ＰＺＴ系セラミックの
比誘電率が４０００を越えると電気機械結合係数が小さ
くなる傾向にあり、感度が低下するという問題が新たに
生じる。

【０００９】また、積層構成では送信感度は積層数に応
じて向上するが、受信感度は積層数に反比例し、適用可
能な分野は振動子が通常よりも小さい場合やケーブルが
長い場合など特殊用途に限られる。

【００１０】またエミッタフォロワなどのインピーダン
ス変換器を使用すると、超音波プローブの大型化を招く
と同時にインピーダンス変換器固有の周波数特性により
狭帯域化を引き起こす。

【００１１】その他、圧電材料としてニオブ酸リチウム
などの単結晶、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛などのセラ
ミック、ポリフッ化ビニリデンもしくはその共重合体な
どの高分子材料からなる圧電体が知られている。しか
し、これらの圧電体は誘電率と電気機械結合係数が小さ
く実用的ではない。

【００１２】また、圧電体柱や圧電体粉を樹脂に埋め込
んだ構成などの複合圧電体も知られている。その構造と
しては、特公昭５４−１９１５１、特開昭６０−９７８
００、特開昭６１−５３５６２、特開昭６１−１０９４
００など、製造方法として特開昭５７−４５２９０、特
開昭５８−２１８８３、特開昭６０−５４６００、特開
昭６０−８５６９９、特開昭６２−１２２４９９、特開
昭６２−１３１７００などに提案されている。

【００１３】複合圧電体にすると音響インピーダンスが
低下して生体のそれに近づくことと、１−３型や２−２
型などの構成では電気機械結合係数が薄板の場合に比べ
て増加するというメリットがある。複合圧電体には、誘
電率が大きく電気機械結合係数Ｋ₃₃も大きいＰＺＴ系圧
電セラミックが主として用いられている。

【００１４】しかし、現実は樹脂を含むことによる誘電
率低下に比べて電気機械結合係数の向上が小さいという
問題があり、素子面積が大きいシングル型メカニカルプ
ローブやアニュラレイなどに用いられているのみであ
り、主流のフェイズドアレイ、コンベックスアレイ、リ
ニアアレイにはほとんど用いられていない。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】以上のように、高感度
の超音波プローブを実現するためにはジルコン・チタン
酸鉛などの高誘電率圧電セラミックを用いたり、インピ
ーダンス変換器を振動子とケーブルの間に接続する方
法、また圧電体を積層構成する方法が知られているが、
いずれも前述したような問題がある。

【００１６】また、その他の圧電材料についても誘電率
と電気機械結合係数が小さいために超音波プローブの高
感度化には問題がある。また、圧電体と樹脂との複合構
成では、誘電率低下に比べて電気機械結合係数の向上が
小さいという問題があり、汎用超音波プローブには用い
られていない。本発明は以上の点を考慮してなされたも
ので、より高感度な超音波プローブの提供を目的とす
る。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は、電気機械結合
係数Ｋ₃₃及びＫ_t との関係がＫ₃₃／_t ≧１．６である圧
電単結晶と、音響インピーダンスＺｐがＺｐ≦４×１０
⁶ ｋｇ／ｍ² ｓである樹脂との複合圧電体からなる超音
波送受信素子を備えたことを特徴とする超音波プローブ
である。

【００１８】以下本発明に係わる超音波プローブについ
て図１を参照して詳細に説明する。単結晶と樹脂からな
る複数の複合圧電体１は、バッキング材２上に互いに分
離して接着されている。圧電体１は、図２に示すように
柱状の圧電体を樹脂に埋め込んだ１−３型や、図３に示
すように短冊状の圧電体を樹脂に埋め込んだ２−２型な
どが用いられる。

【００１９】前記各々の圧電体１は図の矢印Ａ方向に振
動する。第１電極３は、前記各々の圧電体１の超音波送
受信面からその側面及び前記送受信面と反対側の面の一
部に亘って回し込み電極として形成されている。ただし
この第１電極３は回し込み電極でなく、Ａ方向に垂直な
面のみに形成してもよい。また第２電極４は、前記各々
の圧電体１の前記送受信面と反対側の面に前記第１電極
３と所望の間隔を隔ててそれぞれ形成されている。この
ような前記圧電体１、前記第１、第２の電極３，４によ
り超音波送受信素子が構成される。

【００２０】音響マッチング層５は、前記各々の第１の
電極３を含む前記各圧電体１の超音波送受信面にそれぞ
れ形成されている。図では２層となっているが１層や３
層以上でもよい。音響レンズ６は、前記各音響マッチン
グ層５の全体に亘って形成されている。共通電極板７
は、前記各々の第１電極３に接続されている。個別電極
となる第２の電極４からのリード引き出しはフレキシブ
ル印刷配線板８により、はんだ付けや導電ペーストによ
り接続されている。

【００２１】本発明者らは、Ｋ₃₃／Ｋ_t ≧１．６（Ｋ₃₃
は柱状の長さ方向の結合係数、Ｋ_tは薄板状の厚み方向
の結合係数）の圧電単結晶を用いたときに、充填する樹
脂の音響インピーダンスを４×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓ以下
とすることで、電気機械結合係数を低下させることなく
複合圧電体を構成することが可能であることを見出し
た。従って高い電気機械結合係数を維持したまま、音響
インピーダンスを生体に近づけることができる。

【００２２】Ｋ₃₃／Ｋ_t ＜１．６の場合は、音響インピ
ーダンス低下と結合係数向上によるプローブ性能向上へ
の寄与分が誘電率低下のマイナス分を上回るが、有意差
である２ｄＢ以上の感度向上を満たさない。同時にＫ₃₃
／Ｋ_t ＜１．６では結合係数の向上度が小さいことか
ら、帯域の有意差である２０％を越える広帯域化は達成
されない。

【００２３】充填樹脂の音響インピーダンスが４×１０
⁶ ｋｇ／ｍ² ｓよりも大きくなると複合構成化したとき
の結合係数がＫ_t に近づき、音響インピーダンス低下の
プラス分と誘電率低下のマイナス分がほぼ相殺してしま
う。また、あまり音響インピーダンスが小さいと複合圧
電体が機械的に低くなるため、実用上は１×１０⁶ ｋｇ
／ｍ² ｓ以上とすることが望ましい。

【００２４】圧電単結晶としては少なくともチタン酸鉛
を含む固溶系圧電単結晶を用いることが好ましく、例え
ばＰｂ［Ｂ１，Ｂ２）_1-x Ｔｉ_x ］Ｏ₃ と表わしたと
き、Ｘ＝０．０５〜０．５５、Ｂ１：Ｚｎ，Ｍｇ，Ｎ
ｉ，Ｓｃ，Ｉｎ及びＹｂの少なくとも一種、Ｂ₂ ：Ｎｂ
及びＴａの少なくとも一種であることが望ましい。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施例を説明す
る。 実施例１ まず、出発原料として化学的に高純度のＰｂＯ、Ｚｎ
Ｏ、Ｎｂ₂ Ｏ₅ 、ＴｉＯ₂ を用い、これらを純度補正し
た後、亜鉛ニオブ酸鉛（ＰＺＮ）とチタン酸鉛（ＰＴ）
とが９１：９のモル比で秤量し、さらにフラックスとし
て同量のＰｂＯを添加した。この粉末に純水を添加し、
ＺｒＯ₂ ボールが収納されたボールミルで１時間混合し
た。得られた混合物の水分を除去した後、ライカイ機で
十分に粉砕し、さらにゴム容器に入れて２トン／ｃｍ²
の圧力でラバープレスを行った。

【００２６】ゴム型から取り出した固形物６００ｇを直
径５０ｍｍ、容量２５０ｃｃの白金容器に入れ、９００
℃まで４時間で昇温して溶解した。冷却後、さらに前記
固形物を４００ｇ入れ、白金製の蓋で密閉し、前記容器
を電気炉の中心に設置した。１２６０℃の温度まで５時
間で昇温し、０．８℃／ｈｒの速度で８００℃まで徐冷
した後、室温まで冷却した。その後、前記白金製容器に
３０％濃度の硝酸を添加し、８時間煮沸して固溶系単結
晶を取り出した。

【００２７】得られた単結晶は矢じりの形状をなし、大
きさは約２０ｍｍ角であった。前記単結晶の一部を粉砕
し、Ｘ線回折を行って、結晶構造を調べたところ、ペロ
ブスカイト構造を有することが確認された。その後、前
記単結晶をラウエカメラを用いて〈００１〉軸の方位を
出し、この軸に垂直にカッターで切断した。

【００２８】その切断面を＃２０００の研磨材で厚さ５
００μｍに研磨後、スパッタ法によりＴｉ／Ａｕ電極を
両面に形成した。次に、この単結晶をシリコーンオイル
に浸して２００℃に上げた後、１ｋＶ／ｍｍの電界を印
加したまま４０℃まで冷却して分極処理を施した。その
後、ダイシングソーにより３００μｍ角の棒状に加工し
たもので電気機械結合係数Ｋ₃₃を測定し、薄板の状態で
Ｋ_t を測定した。その結果、Ｋ₃₃が９２％、Ｋ_t が５５
％になり、Ｋ₃₃／Ｋ_t ＝１．６７≧１．６になった。

【００２９】次に複合圧電体にするため、厚さ５００μ
ｍの単結晶をダイシングソーで５０μｍ厚のブレードに
より、２００μｍピッチで深さ４５０μｍ（５０μｍの
切り残し）の溝をアレイ状に入れた後、エポキシ樹脂の
切断溝に充填して硬化させた。なお、用いたエポキシ樹
脂の音響インピーダンスは、３×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓで
あった。次に、先の切断溝に対して直角に同様の切断溝
を形成してエポキシ樹脂を充填し、硬化させた。その
後、切り残し部を研磨して厚さが４００μｍになるよう
にして、両面にＴｉ／Ａｕ電極をスパッタにより形成し
て複合圧電体とした。この状態で電気機械結合係数を測
定したところ８８％となり、極めて大きな値が得られ
た。

【００３０】本実施例では、以上の方法で１−３型複合
圧電体を作製したが、作製方法はこれに特定する必要は
ない。例えば、単結晶を最初からフルカットしても良い
し、最初からマトリクス状にカットして、その後樹脂を
充填しても良い。また、切り残し部を完全に除去しなく
ても良い。

【００３１】以上のことは２−２型構造においても同様
である。さらに、本実施例のようにエポキシ樹脂を２段
階に分けて充填する場合は、その種類を変えても良い。
複合圧電体を作製後、再分極処理を施しても良い。

【００３２】次にこの複合圧電体を用いてアレイ型超音
波プローブを試作した。まず、回し込み電極部形成のた
め、一方の電極をエッチングにより緑にほぼ平行に１本
のスリットを入れた。次に、端部を導電ペーストにより
導通をとって回し込み電極とした。本実施例では回し込
み電極を作製したが、これにこだわる必要はない。

【００３３】次に、電極（Ｔｉ／Ａｕ）３，４を形成し
た複合圧電体１にフレキシブル配線基板８と共通電極板
７を導電ペーストを用いて接続し、超音波放射面側に音
響マッチング層５を形成した後、バッキング材２にエポ
キシ樹脂で接着した。次にダイシングソーにより厚さ５
０μｍのブレードで、２００μｍピッチで切断した。こ
れに音響レンズ６を接着した。これに静電容量１１０ｐ
Ｆ／ｍ、長さ２ｍの同軸ケーブルを前記フレキシブル配
線基板８に接続してアレイプローブを試作した。なお、
本実施例ではダイシングソーによりアレイ分割を行った
が、電極エッチングにより実施しても良い。

【００３４】この超音波プローブについてパルスエコー
法により反射エコーを測定したところ、全ての素子から
２．４８±０．１ＭＨｚ以内の中心周波数を有するエコ
ーが受信され、−６ｄＢの比帯域は平均で９３％になっ
た。この帯域は、従来よりも広範囲のドプラリファレン
ス周波数を設定できる値であった。

【００３５】比較例１ ジルコン・チタン酸鉛型圧電セラミックを用いて複合圧
電体を作製し、アレイ型超音波プローブを試作した。ま
ず、Ｋ₃₃とＫ_t を測定したところ、それぞれ７５％、５
０％になりＫ₃₃／Ｋ_t ＝１．５＜１．６になった。複合
圧電体化においては、本実施例と同様に１−３型構成と
し、切断ピッチや充填樹脂なども同一条件とした。複合
圧電体の電気機械結合係数を測定したところ７０％であ
った。

【００３６】次に複合圧電体の厚さは、本実施例よりも
厚く５５０μｍとしてプローブを試作した。パルスエコ
ー特性を測定したところ、中心周波数は２．５２ＭＨｚ
となり本実施例とほぼ同じになった。このように厚さを
変えても中心周波数がほぼ同じになったのは圧電体の音
速と結合係数の違いによる。また、エコー波形の波高値
は、実施例１に比べて−７ｄＢ、−６ｄＢ比帯域は７６
％になり、実施例１が高感度でかつ広帯域特性であっ
た。

【００３７】比較例２ 実施例１と同様な複合圧電体を、音響インピーダンスが
５×１０⁶ ｋｇ／ｍ²ｓの樹脂を充填することにより作
製した。結合係数を測定したところ、８２％になり比較
例１に比べて大きくなったが実施例１よりも小さいもの
であった。

【００３８】この複合圧電体を用いて試作したアレイ型
超音波プローブのパルスエコー特性を測定したところ、
エコー波形の波高値は実施例１に比べ−２ｄＢ、−６ｄ
Ｂ比帯域は８９％になり、実施例１よりも劣るものであ
った。

【００３９】比較例３ 実施例１と同じ圧電単結晶を用いて、複合化せずにアレ
イ型超音波プローブを試作した。パルスエコー特性を測
定したところ、エコー波形の波高値が実施例１に比べて
−４ｄＢ、−６ｄＢ比帯域は８５％になり、比較例１よ
りも良かったが実施例１、比較例２よりも劣った。

【００４０】以上圧電単結晶は、亜鉛ニオブ酸鉛とチタ
ン酸鉛の固溶系についての実施例や比較例を示したが、
Ｚｎの代わりにＭｇ，Ｎｉ，Ｓｃ，Ｉｎ，Ｙｂの少なく
とも一部を用いた場合、またＮｂを一部Ｔａで置換した
ものでも同様の結果が得られる。

【００４１】なお、前記実施例では圧電単結晶をフラッ
クス法により育成したが、ブリッジマン法やキロプーロ
ス法（溶融引き上げ法）、ゾーンメルティング法、水熱
育成法などで作製してもよい。

【００４２】前記実施例では、電極をスパッタ法により
形成したが、銀焼き付け法や蒸着法を用いてもよい。ま
た、電極材料もＴｉ／Ａｕに代えて、Ｎｉ／ＡｕやＣｒ
／Ａｕなどの所定の導電率と密着強度を有するものであ
れば制限されない。

【００４３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば圧
電単結晶の電気機械結合係数がＫ₃₃／Ｋ_t ≧１．６で、
樹脂の音響インピーダンスＺｐがＺｐ≦４×１０⁶ ｋｇ
／ｍ²ｓにした複合圧電体を超音波放送受信素子とした
超音波プローブを構成することにより、感度向上を達成
することが可能になる。さらに広帯域特性を得ることが
でき、広範囲のドプラリファレンス周波数を設定するこ
とができるので医用診断装置などの診断能向上に顕著な
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る超音波プローブの構成を示す斜
視図。

【図２】 本発明に係る複合圧電体の構造を示す斜視
図。

【図３】 本発明に係る複合圧電体の別の構造を示す斜
視図。

【符号の説明】

１…圧電体 ２…バッキング材 ３，４…第１，２の電極 ５…音響マッチング層 ６…音響レンズ ７…アース板（共通電極板） ８…フレキシブル配線基板 ２１…圧電体 ２２…樹脂

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 河内 勝 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 嶋貫 専治 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株 式会社東芝研究開発センター内 (72)発明者 山下 洋八 神奈川県川崎市幸区柳町70番地 株式会社 東芝柳町工場内

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電気機械結合係数Ｋ₃₃及びＫ_t との関係が
   Ｋ₃₃／Ｋ_t ≧１．６である圧電単結晶と、音響インピー
   ダンスＺｐがＺｐ≦４×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓである樹脂
   との複合圧電体からなる超音波送受信素子を備えたこと
   を特徴とする超音波プローブ。
2. 【請求項２】樹脂の音響インピーダンスＺｐが１×１０
   ⁶ ≦４×１０⁶ ｋｇ／ｍ² ｓであることを特徴とする請
   求項１記載の超音波プローブ。
3. 【請求項３】圧電単結晶が、Ｐｂ［（Ｂ１，Ｂ２）_1-x
   Ｔｉ_x ］Ｏ₃ と表わしたとき、ｘ＝０．０５〜０．５５
   で、Ｂ１がＺｎ、Ｍｇ、Ｎｉ，Ｓｃ、Ｉｎ及びＹｂの少
   なくとも一種、Ｂ２がＮｂ及びＴａの少なくとも一種で
   あることを特徴とする請求項１記載の超音波プローブ。